基于GIS的煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊 坤，宋維賓，畢科柯

（1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2．晉煤集團(tuán)長平礦，山西 高平 048400）

·試驗(yàn)研究·

基于GIS的煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊 坤1，宋維賓1，畢科柯2

（1．河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2．晉煤集團(tuán)長平礦，山西 高平 048400）

將GIS運(yùn)用于煤與瓦斯突出危險性預(yù)測中，可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性、時效性和可視化程度。本文根據(jù)煤與瓦斯突出的特點(diǎn)，運(yùn)用GIS數(shù)據(jù)處理的方法，以C＃語言為開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)了基于GIS的煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)、突出防治決策系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)三大部分組成。能夠?qū)ぷ髅婧蛥^(qū)域的煤與瓦斯突出危險性進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測區(qū)劃分為無突出區(qū)，突出危險區(qū)和突出威脅區(qū)，預(yù)測結(jié)果以圖形的形式顯示出來，并且給出相應(yīng)的煤與瓦斯突出防治決策建議。通過在四川敘永煤礦實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明：該系統(tǒng)預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，操作簡單，可視化程度高，具有廣闊的推廣應(yīng)用空間。

GIS；煤與瓦斯突出；預(yù)測系統(tǒng)；應(yīng)用

煤與瓦斯突出是一種嚴(yán)重的井下地質(zhì)災(zāi)害，常造成生產(chǎn)設(shè)施的嚴(yán)重破壞和人員的重大傷亡，威脅煤礦的安全生產(chǎn)。長期以來，許多專家學(xué)者在煤與瓦斯突出方面進(jìn)行了卓有成效的研究。周世寧基于瓦斯賦存運(yùn)移規(guī)律，形成了“煤層瓦斯流動理論”體系［1］；何學(xué)秋基于分形維數(shù)、煤巖流變，提出了煤與瓦斯突出機(jī)理的流變假說［2］；張子敏、張玉貴等基于構(gòu)造逐級控制理論，分析研究了地質(zhì)構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯突出之間的關(guān)系［3］；陳文學(xué)、聶百勝基于ASP技術(shù)，建立了煤與瓦斯突出危險性預(yù)測系統(tǒng)［4］；郝吉生、袁宗孚基于黑箱理論，提出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤與瓦斯突出預(yù)測中應(yīng)用方法［5］。大家或從瓦斯地質(zhì)角度、或從煤體結(jié)構(gòu)角度，或把其它學(xué)科理論與煤與瓦斯突出特點(diǎn)相結(jié)合，進(jìn)行煤與瓦斯突出的研究，但是煤與瓦斯突出既需要瓦斯地質(zhì)知識，同時需要動態(tài)分析和實(shí)時監(jiān)控，還需要圖形顯示，GIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、實(shí)時顯示和圖形處理功能，將GIS運(yùn)用于煤與瓦斯突出研究中，可以滿足上述要求。本文將GIS與綜合指標(biāo)法、模糊綜合評價法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等煤與瓦斯突出預(yù)測的方法相結(jié)合，以C＃語言為開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)了煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了煤與瓦斯突出預(yù)測的準(zhǔn)確性、時效性和可視化程度，操作簡單方便，對于我國煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計與各部分功能

該系統(tǒng)主要由煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)、突出防治決策系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)三大部分組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

其中，煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)包括綜合指標(biāo)法預(yù)測、模糊綜合評價法預(yù)測、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測，每種預(yù)測方法包括采煤工作面、掘進(jìn)工作面和區(qū)域性的預(yù)測，并且能在該系統(tǒng)中單獨(dú)運(yùn)行，只是各種預(yù)測方法要求輸入的參數(shù)不同，用戶可以根據(jù)工作面或區(qū)域的實(shí)際情況，選擇不同的預(yù)測方法，預(yù)測完成后，預(yù)測結(jié)果會以圖形的方式顯示出來，供使用者參考。突出防治決策系統(tǒng)主要包括突出危險防治系統(tǒng)、突出威脅防治系統(tǒng)和無突出預(yù)防系統(tǒng)，主要是根據(jù)預(yù)測結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，提出相應(yīng)的防治決策和建議；輔助系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和幫助系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和中間運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；幫助系統(tǒng)主要是介紹本系統(tǒng)的功能，同時對一些操作過程的疑難問題進(jìn)行解答，以便用戶更好地了解本系統(tǒng)進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2．1 煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)

預(yù)測系統(tǒng)包括綜合指標(biāo)法預(yù)測、模糊綜合評價法預(yù)測和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測。不同的預(yù)測方法，體系構(gòu)建的方法不同，原理也不太一致，限于篇幅，本文僅以模糊綜合評價法中的煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測為例，介紹其構(gòu)建過程。

第一步：權(quán)系數(shù)矩陣的建立。

煤與瓦斯突出主要是瓦斯條件、煤體性質(zhì)和賦存特性共同作用的結(jié)果，瓦斯條件主要包括瓦斯壓力和瓦斯含量；煤體性質(zhì)主要包括煤體破壞類型、煤體堅固性系數(shù)、瓦斯放散初速度；賦存特性主要包括埋藏深度，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度、圍巖狀況?？梢员硎鰹閁 =｛瓦斯條件，煤體性質(zhì)，賦存特性｝=｛U1，U2，U3｝，其中，U1=｛瓦斯壓力、瓦斯含量｝=｛U11，U12｝；U2=｛煤體破壞類型，煤體堅固性系數(shù)，瓦斯放散初速度｝=｛U21，U22，U23｝；U3=｛埋藏深度，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度，圍巖狀況｝=｛U31，U32，U33｝。根據(jù)上述影響煤與瓦斯突出的因素，建立煤與瓦斯突出預(yù)測評價指標(biāo)體系，見表1。

表1 煤與瓦斯突出預(yù)測評價指標(biāo)體系

Ui為影響煤與瓦斯突出的第一級的因素，權(quán)系數(shù)記為矩陣WB=（b1，b2，…，bm），Uij為第二級的因素，權(quán)系數(shù)矩陣記為WC=（c1，c2，…，cn）。

第二步：評價矩陣的建立。

設(shè)U可劃分為m個子集，于是得到第一級因素集合Ui=（U1，U2，…，Um），若Ui中含有n個因素，各因素在不同地區(qū)所占的權(quán)重不同，設(shè)在煤與瓦斯突出預(yù)測的某一區(qū)域共測N次，根據(jù)統(tǒng)計原則，確定某一指標(biāo)隸屬度的次數(shù)M，從而確定權(quán)重rij=M／N。

以此建立一級指標(biāo)評價矩陣：

第三步：模糊綜合評價。

一級模糊綜合評價結(jié)果為：

（z1，z2，…，zk）

多級模糊綜合評價為：

（v1，v2，…，vk）

第四步：評價指標(biāo)體系的建立。

為了將評價結(jié)果定量表示，評價集分為三個等級，V=｛無突出區(qū)，突出危險區(qū)，突出威脅區(qū)｝=｛V1，V2，V3｝。

利用歸一化的原則，處理上述多級模糊綜合評價結(jié)果，評價結(jié)果的隸屬度取值于［0，1］區(qū)間，根據(jù)隸屬度的大小，劃分為三個等級（見表2），根據(jù)最大隸屬度原則，得出該區(qū)域的煤與瓦斯突出危險性。

表2 評價等級劃分和隸屬度對應(yīng)結(jié)果表

2．2 突出防治決策系統(tǒng)

突出防治決策系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)測的結(jié)果，結(jié)合各區(qū)域的實(shí)際情況，提出一些防治煤與瓦斯突出的措施和建議［6-8］。主要包括無突出預(yù)防決策建議、突出危險防治決策建議、突出威脅防治決策建議。

2．3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和幫助系統(tǒng)兩大部分。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心部分，它決定了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確程度，使用者可以通過添加、編輯、刪除和更新命令對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，提高預(yù)測系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性，延長系統(tǒng)的使用壽命。

幫助系統(tǒng)的功能和其它商業(yè)軟件的幫助系統(tǒng)功能相同，主要是為初學(xué)者提供幫助，介紹該系統(tǒng)的使用方法和注意事項(xiàng)，引導(dǎo)用戶正確使用該系統(tǒng)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3．1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域四川敘永煤礦，位于四川省瀘州市敘永縣縣城東約15 km處，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)105°30′49″～105°36′52″，北緯28°06′26″～28°09′08″。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，研究區(qū)內(nèi)具有一定數(shù)量的小斷層和褶皺，開采煤層主要為19＃、20＃、24＃、25＃煤層，開采順序?yàn)?9?！?0?！?4?！?5＃，目前，只有19＃煤層正在開采，其它煤層均未開采。19＃煤層瓦斯含量較高，煤層瓦斯平均含量超過了8 m3／t。2011年，敘永煤礦絕對瓦斯涌出量20．1 m3／min，相對瓦斯涌出量34．29 m3／t，被鑒定為高瓦斯礦井，存在一定的煤與瓦斯突出的危險性。

3．2 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)開發(fā)完成后，對四川敘永煤礦19＃煤層煤與瓦斯突出區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測。

預(yù)測步驟為：

第一步：評價區(qū)域及評價方法選擇。在數(shù)據(jù)庫中選擇已經(jīng)導(dǎo)入的評價區(qū)域，根據(jù)已收集到的資料，在模糊綜合評價法、綜合指標(biāo)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中選擇一種預(yù)測方法。

第二步：參數(shù)輸入。輸入測試點(diǎn)坐標(biāo)以及該測試點(diǎn)瓦斯條件、煤體性質(zhì)和賦存特性基本參數(shù)。

第三步：運(yùn)行結(jié)果及圖形顯示。系統(tǒng)運(yùn)行并生成預(yù)測結(jié)果圖形（見圖2）。

圖2 預(yù)測結(jié)果圖形顯示

4 結(jié) 論

1）該系統(tǒng)可以對區(qū)域煤與瓦斯突出危險性進(jìn)行預(yù)測，且可以對工作面煤與瓦斯突出危險性進(jìn)行預(yù)測；根據(jù)對資料的掌握情況，可以在模糊綜合評價法、綜合指標(biāo)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法中選擇不同的預(yù)測方法。

2）該系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，提高了煤與瓦斯突出預(yù)測的可視化水平，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時更新，實(shí)現(xiàn)了對煤與瓦斯突出預(yù)測的動態(tài)分析和實(shí)時監(jiān)控。

3）該系統(tǒng)操作簡捷，具有廣闊的推廣應(yīng)用空間。

［1］ 周世寧，林伯泉．煤層瓦斯賦存與流動理論［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1999：69-71．

［2］ 何學(xué)秋．含瓦斯煤巖流變動力學(xué)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995：14-16．

［3］ 張子敏，張玉貴．瓦斯地質(zhì)學(xué)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：38-48．

［4］ 陳文學(xué)，聶百勝．基于ASP技術(shù)的煤與瓦斯突出危險性預(yù)測系統(tǒng)［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（7）：14-16．

［5］ 郝吉生，袁崇孚．模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤與瓦斯突出預(yù)測中的應(yīng)用［J］．煤炭學(xué)報，1999，24（6）：624-627．

［6］ 愈啟香．煤與瓦斯突出防治［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992：243-323，358-373，394-395．

［7］ 于不凡．煤礦瓦斯災(zāi)害防治及技術(shù)手冊［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：672-700．

［8］ 張鐵崗．礦井瓦斯綜合治理技術(shù)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001：213-231．

The Design of Prediction System about Coal and Gas Outburst Based on GIS

Yang Kun，Song Wei-bin，Bi ke-ke

It can improve prediction accuracy，timeliness，and visualization by applying GIS to coal and gas outburst hazard prediction．Based on the coal and gas outburst characteristics，the coal and gas outburst prediction system was developed by applying GIS as data processing method and using C＃as developing tool．The system is constituted of coal and gas outburst prediction system，coal and gas outburst prevention and treatment decision-making system and auxiliary systems as three main components．The coal and gas outburst hazard of coalface and region was predicted．The predicted regions were divided into coal and gas outburst non-dangerous region，dangerous region and threatened region，the prediction result was displayed in a graphical form．Some relevant coal and gas outburst prevention policy recommendations were given by the system．The practical application results of Sichuan Xuyong coal mine showed that the system prediction result was accurate，the operation was simple，the degree of visualization was high，it had a broad application space．

GIS；Coal and gas outburst；Prediction system；Application

TD713

A

1672-0652（2013）09-0022-03

2013-06-22

楊 坤（1988—），男，河南信陽人，2011級河南理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事煤礦瓦斯抽采治理的研究（E-mail）770933973＠qq．com